新一代高強(qiáng)度淬火分配鋼的研究和應(yīng)用

1、第 20卷第 12期2008年 12月 鋼 鐵 研 究 學(xué) 報(bào) Journal of Iron and Steel ResearchVol. 20,No. 12December 2008作者簡(jiǎn)介 :紀(jì)云航 (19832 , 男 , 碩士 ; E 2m ail :yhji . cn ; 修訂日期 :2008208204新一代高強(qiáng)度淬火分配鋼的研究和應(yīng)用紀(jì)云航 1, 馮偉駿 2, 王 利 2, 薛小懷 1(1. 上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 , 上海 200240; 2. 上海寶山鋼鐵股份有限公司研究院 , 上海 201900摘 要 :簡(jiǎn)要介紹了具有超高強(qiáng)度和較高伸長(zhǎng)率的淬火分配

2、 (Q &P 鋼的處理工藝 、 相關(guān)的理論模型和國(guó)內(nèi)外的 研究現(xiàn)狀 。 指出在 Q &P鋼的處理工藝中 , 淬火溫度的選擇和抑制滲碳體析出的重要性 , 并探討了 Q &P鋼在汽 車(chē)上的可應(yīng)用領(lǐng)域 。關(guān)鍵詞 :淬火分配鋼 ; 汽車(chē) ; 高強(qiáng)度中圖分類(lèi)號(hào) :T G 14214 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 :A 文章編號(hào) :100120963(2008 1220001205R esearch and Applications of N e w Type Q&PSteelJ I Yun 2hang 1, FEN G Wei 22, 2, E 2huai 1(1. School of Materials Science

3、 and , , Shanghai , 200240, China ; 2. Research Institute , , , 201900, China Abstract :The of high tensile strength and good elongation Q &Psteel , related theoretical model and the status and development are introduced. The importance of the choice of quenching temperature and suppression of carbi

4、de precipitation for Q &Pprocess is pointed out and the application of Q &Psteel in vehicle is discussed.K ey w ords :Q &Psteel ;automobile ;high strength steel 近年來(lái) , 人們對(duì)環(huán)保 、 資源和能源的重視不斷加強(qiáng) , 對(duì)汽車(chē)的安全標(biāo)準(zhǔn)要求也不斷提高 , 為了滿足節(jié) 能和安全的要求 , 要求汽車(chē)向輕量化發(fā)展 , 其中以相 變強(qiáng)化為主的先進(jìn)高強(qiáng)度汽車(chē)用鋼的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用已 成為世界各大鋼鐵公司研究的主流課題之一 。 長(zhǎng)期以來(lái) , 傳統(tǒng)的淬火和

5、回火工藝被用于生產(chǎn) 含馬氏體組織的高強(qiáng)度鋼 。 淬火形成的馬氏體可提 高鋼的強(qiáng)度 , 回火消除內(nèi)應(yīng)力 , 使馬氏體內(nèi)析出碳化 物和殘余奧氏體分解 , 以調(diào)整鋼的塑韌性 。一些研 究工作已經(jīng)揭示 :在淬火過(guò)程中 , 馬氏體條間的殘余 奧氏 體 會(huì) 增 碳 (即 發(fā) 生 碳 由 馬 氏 體 向 奧 氏 體 分 配 1 , 早期的文獻(xiàn) 2也討論過(guò)碳在馬氏體和殘余奧 氏體間的分配 , 以及在含硅鋼中貝氏體相變時(shí)碳會(huì) 向奧氏體擴(kuò)散 , 形成無(wú)碳化物貝氏體 3,4, 然而由于 淬火溫度較低 , 淬火后僅有少量原子擴(kuò)散以及回火 時(shí)明顯發(fā)生了其它相變 , 所以碳由馬氏體向殘余奧氏體分配以穩(wěn)定奧氏體的問(wèn)題并未引

6、起重視 , 更沒(méi) 有發(fā)展成鋼的熱處理工藝 。最近 , 開(kāi)發(fā)和研究了含 硅和錳的在貝氏體區(qū)等溫淬火形成的 TRIP 鋼 5。 受此 啟 示 , 美 國(guó) 人 將 中 碳 高 硅 鋼 (0135C 2113Mn 20174Si 進(jìn)行淬火處理 , 再在 M S 2M f 之間一定溫度等 溫 , 使碳由馬氏體分配至殘余奧氏體 , 以穩(wěn)定殘余奧 氏體 , 提高鋼的塑韌性 6,7。 這一新工藝被稱(chēng)為淬火 和分 配 (Q &P Quenching and Partitioning 工 藝 。 此工藝引起了國(guó)際上的關(guān)注 。1 約束準(zhǔn)平衡模型111 模型簡(jiǎn)介 J. G. Speer 等提出了與 Q &P處理工藝相

7、應(yīng)的 約束準(zhǔn)平衡模型 (CPE 4,8, 并假設(shè) 9:在 Q &P處 理過(guò)程中無(wú)碳化物析出 ; 馬氏體 /奧氏體界面受限制 而不發(fā)生遷移 ; 碳原子在馬氏體和奧氏體兩相中的 化學(xué)勢(shì) (C 相等 。 CPE 與平衡 (EQ 及準(zhǔn)平衡不同 10, 平衡時(shí) Fe 、 C 在兩相中的化學(xué)勢(shì)相等 , 此時(shí) 相和 相的體積分?jǐn)?shù)和組分進(jìn)行調(diào)整 ; 準(zhǔn)平衡時(shí) Fe/X (取代原子 的比率固定 ,C 在兩相中的化學(xué)勢(shì) 相等 , 界面發(fā)生遷移 ; CPE 定義 Fe 和取代原子完全 固定 , 而碳原子 (或間隙原子 自由遷移 。 M. Hilert 等 11認(rèn)為 , 由于要求自由能最小 ,CPE 僅適用于最 終狀

8、態(tài) 。 圖 1為在平衡和 CPE 條件下 ,Fe 2C 二元體系中 相和 相在一定溫度下的自由能 2成分圖 4?？?見(jiàn) , 由兩相公切線可得到平衡條件和該溫度下兩組 元在 相和 相中的化學(xué)勢(shì)相等和兩平衡相的濃度 x EQ 和 x EQ 圖 1(a 。 對(duì)于 CPE , 碳原子在 和 兩 相中的化學(xué)勢(shì)相等 , 但鐵原子在兩相中的化學(xué)勢(shì)不相等 。圖 1(b 出現(xiàn)兩種情況 : 相成分 (x -CPE 和 x -CPE 比平衡相成分具有更高的碳濃度 ; 相成分(x - CPE 和 x - CPE 比平衡相成分的碳濃度低 。112 CPE 模型的計(jì)算 由 CPE 相關(guān)計(jì)算式 3,8:首先 ,CPE 條件

9、下 , 碳在 和 兩相 中的化學(xué)勢(shì)相等 (活度相等 , 又因?yàn)樘荚诿肯嘀械?活度可由活度系數(shù)和碳的摩爾分?jǐn)?shù)給出 , 所以滿足 下式 4:x C=x C e76789-4318-(169105-12014T x RT(1式中 , x C , x C 分別為 C 在 相和 相中的摩爾分?jǐn)?shù) ;R 為氣體常數(shù) ; T 為溫度 。 其次 , 由于馬氏體 /奧氏體界面固定 , 即碳分配過(guò)程中鐵原子 (或置換原子 在每一相中的數(shù)目不 變 。 因而鐵的物質(zhì)平衡可表示為 : f CPE (1-x C CPE =f i (1-x alloy C (2 式中 , f CPE , x C CPE 分別為在 CPE 條

10、件下 , 碳完全擴(kuò)散 時(shí)的奧氏體量和碳濃度 ; f i 分?jǐn)?shù) ; x alloy C再次 , :x CPE f =x alloyC(3 , C CPE 分別為 CPE 條件下 , 碳完全擴(kuò)散時(shí) 。(a 平衡條件 ; (b 兩種可能的約束準(zhǔn)平衡條件 ( 和 圖 1 Fe 2C 二元體系中 相和 相在一定溫度下的自由能 2成分圖Fig 11 Schem atic diagrams of molar G ibbs free energy vs composition for F e 2C binary system 最后 ,相和 相的摩爾分?jǐn)?shù)之和等于 1, 即 : f CPE +f CPE =1(4

11、 文獻(xiàn) 8給出了 CPE 計(jì)算實(shí)例 , 表明鋼中大部 分的碳分配至奧氏體中 , 因而奧氏體中富集相當(dāng)高 的碳是可能的 。 2 Q &P處理工藝 Q &P處理工藝過(guò)程為 3:首先對(duì)鋼進(jìn)行奧氏體化 (完全奧氏體化 , 即在 A c3以上保溫或部分奧氏體 化即在 A c1A c3之間保溫 , 然后淬火至馬氏體轉(zhuǎn)變 開(kāi)始溫度 (M S 與終結(jié)溫度 (M f 之間的某一溫度 , 再進(jìn)行碳的分配處理 , 最后冷卻至室溫 。在淬火溫度 等溫進(jìn)行碳分配處理 , 稱(chēng)為一步 Q &P法。 如果加熱 到淬火溫度以上進(jìn)行碳分配處理 , 稱(chēng)為兩步 Q &P法。 圖 2為 Q &P處理工藝示意圖 3,4。此圖給出 了完全

12、奧氏體化情況 , 部分奧氏體化組織中會(huì)出現(xiàn) 鐵素體 。 由圖 2可知 , 分配處理后碳由馬氏體分配 至未轉(zhuǎn)變奧氏體 , 奧氏體富碳 , 從而使其穩(wěn)定性增 加 , 在隨后冷卻至室溫的過(guò)程中 , 大部分未轉(zhuǎn)變奧氏 體穩(wěn)定的保存下來(lái) , 僅有少量轉(zhuǎn)變成馬氏體 。 對(duì)于 Q &P處理工藝 , 穩(wěn)定殘余奧氏體 , 抑制碳 化物的析出非常重要 。 因?yàn)槿魏翁蓟锏男纬啥紝?2 鋼 鐵 研 究 學(xué) 報(bào) 第 20卷 w (C i , w (C , w (C M 原始合金 、 奧氏體和馬氏體中 的碳含量 ; t Q 淬火溫度 ; t P 碳的分配溫度圖 2 Q&P處理工藝示意圖Fig 12 Schematic

13、illustration of Q&Pprocess消耗碳 , 使可供富集到殘余奧氏體中的碳含量減少 , 從而降低奧氏體穩(wěn)定性 , 最終形成的殘余奧氏體量 減少 。 添加 Si 可抑制滲碳體的形成 12,13。因?yàn)?Si 不溶于滲碳體 , 同時(shí) Si 可以抑制或推遲碳化物的形 成 。 鋁和磷也具有這些作用 14。因此 ,素在 Q &P用 。 由于 TRIP Si化物的形成 , Q 。 在 Q &P, 淬火溫度決定了馬氏體 量 , 馬氏體量可以用 K oistinen 2Marburger 4,15關(guān)系 式表示 : f M =1-e -11110-2(M S -t Q (5 式中 , f M 為

14、淬火至 t Q 時(shí) , 奧氏體轉(zhuǎn)變成馬氏體的相 分?jǐn)?shù) 。 M S 可用經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式 (6 16預(yù)測(cè) : M S =539-42300w (C -3040w (Mn -750w (Si +3000w (Al (6 對(duì)于一定成分的 Q &P鋼具有一個(gè)最佳的淬火 溫度 。 如果 t Q 較高 , 初次淬火形成的馬氏體量較 少 , 奧氏體量較多 , 碳的富集程度有限 , 奧氏體的穩(wěn) 定性較低 , 導(dǎo)致部分殘余奧氏體在隨后冷卻至室溫 的過(guò)程中發(fā)生分解 , 而最終室溫殘余奧氏體量減少 ; 如果 t Q 過(guò)低 , 導(dǎo)致淬火后奧氏體量較少 , 盡管富碳 的奧氏體能在隨后的冷卻過(guò)程中穩(wěn)定保留下來(lái) , 但 最終殘余

15、奧氏體量仍不高 。 最佳淬火溫度是在分配 處理后奧氏體中富集的碳剛好使它的 M S 點(diǎn)降至室 溫以下 , 從而獲得高強(qiáng)度和良好塑性結(jié)合的 Q &P鋼 。圖 36為 Fe 2016C 20195Mn 21196Si 鋼經(jīng) Q &P處理后奧氏體體積分?jǐn)?shù) 、 碳含量及馬氏體體積分?jǐn)?shù) 與淬火溫度的關(guān)系。 可見(jiàn) Fe 2016C 20195Mn 21196Si 鋼w (C 奧氏體中的碳含量 ; V Mi 初始淬火后馬氏體體積 分?jǐn)?shù) ; V f 初始淬火后奧氏體體積分?jǐn)?shù) ; V Mf 最終淬火 后馬氏體體積分?jǐn)?shù) ; V f 最終淬火后殘余奧氏體的體積分?jǐn)?shù) 圖 3 Fe 2016C 20195Mn 2119

16、6Si 鋼經(jīng) Q&P處理后奧氏體 體積分?jǐn)?shù) 、Fig 13 P redicted volum e carbon content of retained as a function F e 2016C 20195Mn 21196Si185 6, 高于或低于此溫度 , 殘余奧氏體量都將減少 。3 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 鋼經(jīng) Q &P處理后 , 在具有相當(dāng)塑性的同時(shí) , 其 強(qiáng)度比經(jīng) TRIP 工藝處理 (兩相區(qū)退火 , 貝氏體相變 等溫 后顯著提高 。如 A. M. St reicher 等 17將 Fe 2 0119C 21159Mn 21163Si 鋼按 TRIP 處理工藝經(jīng) 820 , 180s/

17、400 ,10s 處理后 , 其屈服強(qiáng)度為 503M Pa , 抗拉強(qiáng)度 1072MPa , 總伸長(zhǎng)率 1916%;而經(jīng) 820 , 180s/200 ,10s 的一步 Q &P處理后 , 其屈服強(qiáng) 度為 740M Pa , 抗 拉 強(qiáng) 度 1424M Pa , 總 伸 長(zhǎng) 率 1019%; 經(jīng) 820 ,180s/200 ,10s/400 ,10s 的 Q &P處理后 , 屈服強(qiáng)度為 781M Pa , 抗拉強(qiáng)度 1179M Pa , 總伸長(zhǎng)率 1218%。 一些鋼經(jīng) Q &P處理后 , 殘余奧氏體量增加 。 如 F. H. L. Gerdeman 18將碳含量為 016%和硅含 量為 2%

18、的 9260鋼在 900 奧氏體化 15min ; 然后 淬火至 150210 的錫 -鉍浴中 , 保持 120s ; 再在 250500 的熔鹽中進(jìn)行 103600s 分配處理 ; 最后冷卻至室溫的 Q &P處理后 , 其殘余奧氏體含 量大于 6%, 而經(jīng)直接淬火后其殘余奧氏體量小于 2%。 這種高強(qiáng)度和殘余奧氏體量較多的 Q &P鋼 其綜合性能比傳統(tǒng)淬火回火處理的好 , 有望在齒輪 和軸承方面獲得應(yīng)用 。 3第 12期 紀(jì)云航等 :新一代高強(qiáng)度淬火分配鋼的研究和應(yīng)用 S. Unger 等 19對(duì)成分 (質(zhì)量分?jǐn)?shù) , % 為 :C 317, Si 215, Mn 0134, Cu 0117的

19、 商 業(yè) 球 墨 鑄 鐵 進(jìn) 行 Q &P處理 , 即 :850 奧氏體化 ; 分別淬火至 137, 157和 172 保溫 150s ; 然后分別在 230,270,310, 350及 390 進(jìn)行 1800s 的分配處理 。處理后 , 大 量的殘余奧氏體保存下來(lái) , 使其強(qiáng)度提高 , 但延展性 和室溫沖擊性能下降 12。 J. G. Speer 等 4研究了成分為 Fe 20119C 21196Al 2 1146Mn 高 Al 的 TRIP 鋼經(jīng) Q &P處理后 , 分配處 理溫度和時(shí)間對(duì)殘余奧氏體含量及殘余奧氏體中碳 含量的影響 。 實(shí)驗(yàn)過(guò)程為 :該鋼經(jīng) 805 兩相區(qū)退 火 180s

20、后 , 奧氏體含量約 50%; 然后淬火至 284 保溫 3s , 奧氏體含量約為 15%; 再將樣品分別在 300,350,400和 450 進(jìn)行碳分配處理 , 每個(gè)溫度 的分配處理時(shí)間分別為 10,100和 1000s ; 最后水淬 至室溫 。 研究結(jié)果表明 , 殘余奧氏體含量隨分配時(shí) 間延長(zhǎng)而增多 , 而且在高分配溫度下 , 奧氏體量的增 加速度較快 ; 在較高溫度下 , 分配時(shí)間達(dá)到 1時(shí) , 殘余奧氏體量減少 。 對(duì)此 J. ,溫度升高而提高 ,高的趨勢(shì) 。 D. V. Edmonds 等 20發(fā)現(xiàn) , 分配溫度下停留時(shí) 間較長(zhǎng)時(shí)將出現(xiàn) 碳化物 。 對(duì)此 ,D. V. Edmonds

21、 等 認(rèn)為合金元素 Si ,Al 盡管能夠有效抑制 型碳化物 的析出 , 但不能有效抑制其他類(lèi)型碳化物 (如過(guò)渡碳 化物 的析出 。碳化物析出消耗了供奧氏體富集的 碳 , 影響奧氏體的穩(wěn)定性 。該研究結(jié)果有助于選擇 獲得最大殘余奧氏體的最低分配溫度 。 E. De. Moor 等 21對(duì) CMnSi 和 CMnSiAl 鋼進(jìn) 行了 Q &P處理和傳統(tǒng)的淬火回火處理后發(fā)現(xiàn) :經(jīng) Q &P處理后 , 鋼中的殘余奧氏體量遠(yuǎn)比淬火回火處 理多 ; 相同碳含量的 CMnSi 和 CMnSiAl 鋼經(jīng) Q &P處理后 ,CMnSi 鋼中的殘余奧氏體量較多 ;CMnSiAl 鋼中的過(guò)渡碳化物量多于 CMnS

22、i 鋼 。這說(shuō)明 Al 推 遲過(guò)渡碳化物形成的作用可能小于 Si 。 國(guó)外的這些研究都是在 J. G. Speer 教授提出的 CPE 理論基礎(chǔ)上進(jìn)行的 , 主要集中于 Q &P處理工 藝 、 Q &P鋼的微觀組織及其對(duì)性能的影響和合金元 素對(duì) Q &P鋼組織及性能的影響等方面 。 近期 , 國(guó)內(nèi)上海交通大學(xué)的戎詠華教授等與上 海寶山鋼鐵公司合作對(duì) Fe 2012C 21145Mn 21153Si 鋼 進(jìn)行了 800 ,70s/400 ,70s 的 TRIP 工藝處 理 , 得到屈服強(qiáng)度為 530MPa , 抗拉強(qiáng)度為 781M Pa 和總伸長(zhǎng)率約為 32%的 TRIP 鋼。 而此鋼經(jīng) 920

23、 , 120s/200 , 10s/480 , 10s/水 淬 至 室 溫 的 Q &P處理后 , 得到屈服強(qiáng)度為 740M Pa , 抗拉強(qiáng)度 1050M Pa , 總伸長(zhǎng)率 24%6的 Q &P鋼 。這表明 , Q &P處理工藝的優(yōu)越性在于馬氏體可提供強(qiáng)化 , 而 殘余奧氏體可提供塑性 。 ZHON G Ning 等 22對(duì)成分為 Fe 2012C 2115Si 2 1167Mn 的鋼進(jìn)行了 Q &P處理 , 得到抗拉強(qiáng)度超過(guò) 1000M Pa 、 伸長(zhǎng)率約為 20%的 Q &P鋼 , 發(fā)現(xiàn)在 Q &P處理中 , 馬氏體 /奧氏體界面可遷移 。隨后他 們進(jìn)一步預(yù)測(cè)了界面遷移對(duì)殘余奧氏體體積

24、分?jǐn)?shù)的 影響規(guī)律 。研究結(jié)果表明 :碳含量高的 Q &P鋼在 /, , 反之 , 碳含量低 , 其馬氏體 /奧氏體界 。通過(guò)在 , 能較好地改善 Q &P鋼的力學(xué)性能 。為了獲得強(qiáng)度更高的 Q &P鋼 , 在 徐祖耀院士的指點(diǎn)下 , 提出了兩種有效的途徑 : 通 過(guò) Q &P處理后再進(jìn)行回火處理 , 以在馬氏體中獲 得彌散的碳化物 。此方法被稱(chēng)為 Q 2P 2T 處理 ; 細(xì) 化初始奧氏體晶粒 (通過(guò)合金化或控制軋制 , 再通 過(guò) Q &P處理獲得更高強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)鋼 。4 應(yīng)用探討 鋼經(jīng) Q &P處理后得到的組織為馬氏體和殘余 奧氏體 。 大量馬氏體的存在保證了鋼具有較高的強(qiáng) 度 , 而其中 4

25、%10%的殘余奧氏體的存在又增加 了鋼的塑性 。 因此 ,Q &P鋼兼有超高強(qiáng)度和較大的 伸長(zhǎng)率 , 其抗拉強(qiáng)度可達(dá) 10001400M Pa , 而伸長(zhǎng) 率仍可達(dá)到 15%左右 。 Q &P鋼的這一性能特點(diǎn)決 定了它在汽車(chē)安全結(jié)構(gòu)件中具有較好的應(yīng)用前景 , 特別適合用于防止侵入的一些零件 , 如車(chē)門(mén)防撞桿 、 保險(xiǎn)杠及 B 柱等 。目前 , 主流車(chē)型中這類(lèi)零件所用 鋼板主要有兩類(lèi) : 馬氏體鋼 ; 熱沖壓成形鋼 。與 相同強(qiáng)度級(jí)別的馬氏體鋼相比 , 具有較高伸長(zhǎng)率的 Q &P鋼使冷成形成為可能 , 這不但可以降低零件的 沖裂率 , 而且還可沖壓一些形狀較復(fù)雜的零件 。熱 沖壓成形作為提高零件

26、強(qiáng)度的另一種手段 , 盡管可 以達(dá)到較高的強(qiáng)度 , 但其工序較多 , 生產(chǎn)成本較高 。 因此 , 采用 Q &P鋼板經(jīng)冷成形生產(chǎn)車(chē)門(mén)防撞桿 、 保4 鋼 鐵 研 究 學(xué) 報(bào) 第 20卷 險(xiǎn)杠及 B 柱等零件將具有較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力 。5 結(jié)語(yǔ) 鋼經(jīng)過(guò) Q &P處理后 , 殘余奧氏體比一般熱處 理獲得了良好的強(qiáng)塑性組合 , 具有很好的應(yīng)用前景 。 但目前對(duì)這種工藝和相關(guān)理論的認(rèn)識(shí)僅處于初始階 段 , 并有爭(zhēng)議 , 仍然需要進(jìn)行大量的研究 。將來(lái) , 在 完善 Q &P處理工藝的相關(guān)理論 , 發(fā)現(xiàn)新的合金化 理念 , 以有效抑制過(guò)渡碳化物的形成 , 深入了解碳的 分配過(guò)程和研制鋼經(jīng) Q &P處理的熱力學(xué)

27、軟件等方 面需努力 , 從而為確立適合工業(yè)化生產(chǎn)的 Q &P處 理工藝 , 滿足汽車(chē)工業(yè)發(fā)展的需要提供理論和實(shí)驗(yàn) 支持 。參考文獻(xiàn) :1 Sarikaya M , Thomas G , Steeds J W , et al. Solute Element Partitioning and Austenite Stabilization in Steels A .Aaron 2 son H I , eds. Proc Inter Conf Solid to Solid Phase Transforma 2 tions C.Warrendale , PA , USA :The Metall Soc

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